A gyors és jó hatásfokú villanyjárműtöltő infrastruktúra tervezési kihívásainak leküzdése

A villanyjárművek (EV, electric vehicle) különféle töltőihez különböző áramátalakítási technikákra van szükség, hogy lehetővé tegyék az otthoni és irodaházi töltők által használt váltakozó áramú (AC) kialakításokat, valamint az egyenáramú (DC) gyorstöltő rendszereket a hosszabb út során történő töltéshez. A villanyjárműtöltők valamennyi típusa esetén közös, hogy a nagyfeszültségek és nagy áramerősségek használatához különféle kontaktorokra, relékre, csatlakozókra és passzív alkatrészekre van szükség, valamint a gyorsabb, biztonságosabb, kisebb, jobb hatásfokú és rugalmasabb villanyjárműtöltő infrastruktúra megteremtéséhez kis méretű és jó hatásfokú készülékekre.

A jó hatásfokú és rugalmas villanyjárműtöltők tervezéséhez számos kis méretű, nagyfeszültségű eszközre van szükség. Ezeknek az eszközöknek kis villamos ellenállásúaknak, valamint megbízható és biztonságos működésűeknek kell lenniük. Bizonyos esetekben ezeknek az eszközöknek hosszú villamos kapcsolási élettartamra is szükségük van, ha zord üzemi körülmények között működnek. Egyes biztonsági eszközöknek, például a vészleállító kapcsolóknak IP67-es védettségűeknek kell lenniük. Másoknak, például az elektromágneses zavarszűrőknek (EMI-szűrő), a kapocsléceknek és a kontaktoroknak speciális nemzetközi teljesítménytanúsítással kell rendelkezniük.

Ez a cikk ismerteti a váltakozó áramú és egyenáramú villanyjárműtöltők kialakítását és néhány kapcsolódó regionális szabványt. Áttekinti, mennyire van szükség nagyobb teljesítményű villanyjárműtöltőkre, és vet egy pillantást a rendkívül gyors töltés (XFC, extreme fast charging) jövőjére. Zárásként röviden bemutatja a villanyjárműtöltő rendszerekben használt kontaktorok, relék, csatlakozók, teljesítmény-ellenállások, kapcsolók, elektromágneses zavarszűrők és nagy teljesítményű csatlakozótömbök felhasználási módját, és hivatkozásokat ad a TE Connectivity cégnek a cikkben példaként használt termékeire.

Regionális szabványok

A váltakozó áramú és egyenáramú villanyjárműtöltés szabályozására különféle szabványok léteznek. Minden régió másként közelíti meg ezt a dolgot. Észak-Amerikában az SAE J1772 szabvány a villanyjárműtöltés három szintjét határozza meg, míg az Európában használt IEC 61851 szabvány négy töltési módot szabályoz. A kínai GB/T 20234 szabvány mind a váltakozó áramú, mind az egyenáramú töltésre, míg Japánban a JARI (Japan Automobile Research Institute, Japán Gépjárműkutató Intézet) szabvány a váltakozó áramú töltésre, a CHAdeMO szabvány pedig az egyenáramú töltésre vonatkozik. A váltakozó áramú töltés jellemzően 22 kW körüli teljesítményig használható, míg az egyenáramú töltés ennél nagyobb teljesítményt kínál. Ezenkívül a váltakozó áramú töltéshez fedélzeti töltőre (OBC, onboard charger) van szükség, míg az egyenáramú töltők közvetlenül az akkumulátorcsomaghoz csatlakoznak (1. ábra). A észak-amerikai és az európai töltési szabvány rövid összehasonlítása a töltők kialakításáról és a felhasználási módokról szóló következő szakaszhoz nyújt némi segítséget.

1. ábra: A váltakozó áramú töltéshez fedélzeti töltő szükséges, míg az egyenáramú töltés közvetlenül az akkumulátorba táplálja az energiát (ábra: TE Connectivity)

Észak-Amerikában kétszintű váltakozó áramú töltést használnak. Az 1. töltési szint 1,9 kW teljesítményig fali aljzatból (konnektorból), míg a 2. töltési szint 19,2 kW teljesítményig töltőállomásról való töltést jelent. Az 1. szintű töltőket elsősorban lakóházakban használják, míg a 2. szintű töltők lakó- és kereskedelmi környezetben találhatók. Európában háromféle váltakozó áramú töltési mód létezik. Az 1. töltési mód az észak-amerikai 1. töltési szintnek felel meg, míg a 3. töltési mód az észak-amerikai 2. szintnek. Európában létezik egy köztes típus is, a 2. töltési mód, amely az 1. töltési módhoz hasonlóan fali aljzatot használ, de a csatlakozókábel védőáramkörrel van ellátva, így kétszer akkora teljesítményt tud szolgáltatni.

A gyors nem elég

A váltakozó áramú gyorstöltők – például a 2. szintű töltők Észak-Amerikában és a 3. töltési módú töltők Európában – gyorsabbak, mint a helyettük használható egyéb töltők, amelyeknek akár 10–12 óráig is eltarthat egy villanyjármű teljes feltöltése. Ennek ellenére a váltakozó áramú gyorstöltéssel még mindig több óráig tarthat egy lemerült akkumulátor feltöltése, ami olyan esetekben lehet hasznos, amikor az autó hosszabb ideig parkol egy irodaházban, otthon vagy valamilyen parkolóhelyen. Még mindig nem elég gyors viszont ahhoz, hogy jelentősen csökkentse a villanyjárművek vezetőinek körében a hatótávolsággal kapcsolatos aggályokat.

Ezért fejlesztették ki a nagy teljesítményű 3. töltési módú váltakozó áramú töltőket és a 4. töltési módú egyenáramú töltőket. Az egyenáramú gyorstöltés töltési sebessége attól függ, hogy mekkora áramerősséget tud szolgáltatni a töltő, és hogy mekkora az akkumulátorcsomag feszültsége. Az egyenáramú gyorstöltőket eredetileg 400 V-os akkumulátorokhoz fejlesztették ki. Egy 400 V-os, 200 A-es töltővel a 80%-os töltöttség elérése körülbelül 50 percet vesz igénybe. Az áramerősséget 350 A-re emelni kihívást jelent, de így egy 400 V-os akkumulátorcsomag 80%-os töltöttsége körülbelül 29 perc alatt elérhető. Bár az áramerősség növelésével csökken a szükséges töltési idő, ennél többre van szükség ahhoz, hogy a villanyjárműtöltés időben is érdemi alternatívája legyen a többi tüzelőanyag-fajta feltöltéséhez használt töltési módszereknek. A cél a 10 perces töltési idő, ami körülbelül ugyanannyi, amennyi egy belső égésű motorral hajtott jármű tüzelőanyag-tartályának feltöltéséhez szükséges.

Az egyenáramú gyorstöltés következő fázisa a rendkívül gyors töltés (XFC, extreme fast charging) lesz. A rendkívül gyors töltés eléréséhez az akkumulátorcsomagok feszültségét 400 V-ról 800 V-ra növelik, és a láthatáron vannak már az 1 kV-os csomagok is. A rendkívül gyors töltéshez szükséges XFC-töltőtechnikát úgy fejlesztik ki, hogy 1 kV-os feszültség mellett 350–500 A-es áramerősséget tudjon szolgáltatni, ami a töltési időt 10 percre vagy kevesebbre csökkenti. A rendkívül gyors töltés fejlődésével elavul a kis hatótávolságtól való félelem.

A tervezőkön folytonos a nyomás, hogy a rendkívül gyors töltéshez szükséges XFC-töltőtechnika kifejlesztése mellett a kis méretek és a jó hatásfok érdekében törekedjenek a biztonságosabb, kisebb, jobb hatásfokú és rugalmasabb villanyjárműtöltés elősegítésére is. Ehhez korszerű alkatrészekre és fejlett berendezésekre van szükség.

2. ábra: A villanyjárművek kisebb méretű és nagyobb teljesítményű töltési megoldásainak kifejlesztéséhez korszerű alkatrészekre van szükség (ábra: TE Connectivity)

Eszközök helyszűkében lévő berendezésekbe

A rendkívül gyors töltéshez szükséges XFC-töltőkben szilícium-karbid (SiC) és gallium-nitrid (GaN) teljesítmény-félvezetőket használnak, amelyekkel jó hatásfokú, kis méretű áramátalakítókat lehet készíteni. Az áramátalakítás azonban csak az egyik eleme a villanyjárműtöltők tervezésének.

A villanyjárműtöltőknek kis méretű és strapabíró nyomtatott áramköri lapi jelcsatlakozókra van szükségük a vezérléshez és a felügyelethez. Helytakarékos relék és kontaktorok is kellenek beléjük, amelyek képesek kezelni a gyorsabb töltési módokhoz kapcsolódó nagyobb feszültségeket. A villanyjárműtöltőkben használt teljesítmény-ellenállásoknak nagy szigetelési ellenállásúaknak, kis felületi hőmérsékletűeknek, kiváló hőmérsékleti együtthatójúaknak (TCR, temperature coefficient of resistance), nagy hőmérséklet korlátozott helyen történő elvezetésére képeseknek és tűzálló kialakításúaknak kell lenniük.

A kisegítő tápegységekben és egyéb áramkörökben kis méretű elektromágneses zavarszűrőkre is szükség van, ezek feladata, hogy megszüntessék a vezérlőlogikát és a felügyeleti áramköröket érintő zavarokat. A zord környezet elviseléséhez IP65 védettségű és a véletlen lekapcsolás megakadályozásához elegendő működtetési erőt igénylő vészleállító kapcsolókra van szükség.

2. szintű/3. töltési módú váltakozó áramú töltők

Az alábbi listában részletesen ismertetünk néhány kulcsfontosságú alkatrészt, amelyekre szükség van a 2. szintű és a 3. töltési módú váltakozó áramú töltők tervezésekor. A felsorolás sorszámai megfelelnek az alábbi 3. ábrán a körökben lévő számoknak.

1. A TE T92 sorozatú teljesítményreléi a váltakozó áramú töltőállomások főkapcsolóiként szolgálnak. Ezek a kétpólusú, egy áramkörös (DPST, double-pole single-throw) relék 50 A-ig terjedő áramerősség elviselésére vannak méretezve, és szélsőséges hőmérsékleten való használatra tervezték őket. A T92HP7D1X-12 típus kiváló hőteljesítményre van optimalizálva, és névlegesen 50 A és 600 V váltakozó feszültség mellett 85 °C-ig használható.
2. A belső nyomtatott áramköri lapok áramellátó és jelcsatlakozásának támogatásához a TE Dynamic Mini sorozatához hasonló nyomtatott áramköri lapi jelcsatlakozókra van szükség. Ezek a csatlakozók a helyszíni telepítés és karbantartás megkönnyítése érdekében hangjelzéssel ellátott pozitív reteszelőmechanizmussal vannak ellátva. A váltakozó áramú töltőberendezések igényeihez igazodva –40 °C és 125 °C közötti hőmérsékleten használhatóak. Az 1-2834461-2 típusnak például 12 érintkezőhelye van 1,8 mm-es (középvonali) érintkező-osztástávolsággal.
3. A teljesítmény-ellenállások a figyelés, a felügyelet és a biztonságos működés megteremtése szempontjából fontosak. Nagy szigetelési ellenállásúaknak, kis – például 300 ppm/°C – hőmérsékleti együtthatójúaknak (TCR), kis felületihőmérséklet-emelkedésűeknek és tűzálló kialakításúaknak kell lenniük. A TE SQ sorozata, amilyen például a ±5% tűrésű, 1 Ω-os, 5 W-os SQPW51R0J jelű ellenállás, alkalmasak a váltakozó áramú töltőkben való használatra.
4. A vészleállító kapcsoló a váltakozó áramú töltő biztonsága szempontjából fontos. A TE a PBE16 sorozatú nyomógombos vészleállító kapcsolót megvilágított és megvilágítatlan változatban is kínálja. Ezek a kapcsolók megfelelnek az IEC 60947-5-1 és az IEC 60947-5-5-5 szabvány követelményeinek. A PBES16L1CR típus például IP65 védettségű, 20 N működtetőerővel a véletlen működtetés elkerülése érdekében.
5. A töltőállomások kisegítő tápegységeiben elektromágneses zavarszűrőkre van szükség, hogy megakadályozzák az energiafelügyeletre és -szabályozásra szolgáló digitális áramkörök működésének zavarását. Az áramátalakító fokozatban lévő teljesítmény-félvezetők áramellátásához szintén szükség van kisegítő tápegységekre. A TE 6609065-3 jelű eszköze egy egyfázisú elektromágneses zavarszűrő, amelynek névleges áramterhelhetősége 250 V-os, 50 vagy 60 Hz-es váltakozó feszültség mellett 6 A.
6. Végül pedig címkékre van szükség a vezetékezés és a panel azonosításához, hogy gyorsabban lehessen végrehajtani a helyszíni összeszerelést és a karbantartást. Ezeknek a címkéknek könnyen felhelyezhetőeknek és rendkívül tartósaknak kell lenniük. A TE PL-027008-2.5-9 jelű címke például egy öntapadós poliésztercímke, amelyet villamos kapcsolószekrényekben, például villanyjárműtöltő állomásokon való használatra terveztek.

3. ábra: A 2. szintű és a 3. töltési módú váltakozó áramú töltőkhöz szükséges legfontosabb alkatrészek (kép: TE Connectivity)

Gyorstöltés és rendkívül gyors töltés egyenárammal

Távolról nézve a 2. szintű és a 3. töltési módú váltakozó áramú töltőkhöz, illetve az egyenáramú gyorstöltőkhöz szükséges alkatrészfajták hasonlónak tűnnek. Van azonban néhány apró és nyilvánvaló különbség a kettő között.

A váltakozó áramú töltőállomásokban általában reléket használnak a teljesítményszabályozáshoz, míg az egyenáramú töltőkben kontaktorokra van szükség. Bár a relék és a kontaktorok egyaránt olyan kapcsolók, amelyek kis feszültség, például 12 V egyenfeszültség segítségével kapcsolnak nagyobb feszültségű áramköröket, mégis különböző érintkezőkialakításokat használnak, amelyek eltérő feszültségekre és áramerősségekre vannak méretezve. A relék kapcsolt névleges feszültsége jellemzően maximum 600 V, míg a kontaktoroké 800 V vagy annál nagyobb. Ezenkívül a relék jellemzően néhányszor tíz amper kapcsolására korlátozódnak, míg a kontaktorok több száz amper kapcsolására is képesek. A TE EV200AAANA kontaktor névleges értékei például 900 V és 500 A, és ez a kontaktor alkalmas egyenáramú gyorstöltőkben való használatra.

Az egyenáramú töltőkben használt jelcsatlakozók és teljesítmény-ellenállások sem azonosak a váltakozó áramú töltőkben használtakkal. Az egyenáramú töltők összetettebb vezérlést igényelnek, például a villanyjármű akkumulátorával való kommunikációt, ami a váltakozó áramú töltőknél nincs meg. Mind a váltakozó áramú, mind az egyenáramú töltők számára előnyös a két nyomtatott áramköri lapot összekötő finom, 1,00 mm × 1,00 mm érintkező-osztástávolságú csatlakozók használata, de az egyenáramú töltők esetében több érintkezőre, például a 30 érintkezőhelyes 1MM-R-D15-VS-00-F-TBP csatlakozóra lehet szükség.

Ezenkívül az egyenáramú töltők nagyobb teljesítményszintjeihez előnyösek az olyan alumíniumházú teljesítmény-ellenállások, mint a TE HS sorozata. Ezek a huzalellenállások nagyon stabilak, és viszonylag kis felületi hőmérséklet mellett szűk helyen nagy hőt képesek leadni. A HSA1010RJ típus például ±5%-os tűrésű, 10 Ω ellenállású, és 10 W a névleges teljesítménye. A sorozat egyes típusai akár 82 kΩ ellenállásúak és 300 W névleges teljesítményűek is lehetnek.

Bár a váltakozó áramú és az egyenáramú töltőkhöz gyakran használható ugyanolyan típusú vészleállító kapcsoló, az elektromágneses zavarszűrők esetében az egyenáramú töltőkben a kialakítástól függően nagyobb szűrőkre vagy több szűrőre lehet szükség.

Egy másik különbség a váltakozó áramú és az egyenáramú töltők között, hogy az egyenáramú töltők a belső áramelosztáshoz olyan csatlakozótömböket igényelnek, mint a TE kis méretű ENTRELEC Compact Power Block csatlakozótömbjei. A CBS50-2P típus 150 A-re és 1 kV-ra van méretezve.

4. ábra: Az egyenáramú gyorstöltőkben sok ugyanolyan alkatrészre is szükség van, mint a 2. szintű és a 3. töltési módú váltakozó áramú töltőkben, de van néhány apró különbség is (kép: TE Connectivity)

Összegzés

A korszerű villanyjárműtöltők kialakításának fontos szerepe lesz a hatótávolság miatti aggályok csökkentésében és a villanyjárművek széles körű elterjedésének elősegítésében. Ezek a korszerű töltők nagyobb feszültséget és áramerősséget használnak majd, hogy a töltési időt körülbelül 10 percre csökkentsék, így a villanyjárműtöltés összehasonlíthatóvá válik a belső égésű motoros járművek tankolási idejével. Mint látható, a tervezőknek sokféle kis méretű, jó hatásfokú és környezetbarát alkatrészre van szükségük a váltakozó áramú és egyenáramú gyorstöltők előállításához és a jövőbeli, a rendkívül gyors töltéshez szükséges XFC-töltők különböző generációihoz.